摩擦接合

大学

課題でたから、ここでまとめ。

溶接攪拌接合(FSW : Friction Stir Welding)の原理と特徴

  • 概要
    • 専用ツールを接合部に差し込み回転させることで摩擦熱を発生させ、母材を撹拌する。固相接合。
    • 熱による歪も少なく、また、ブローホール（気泡）や割れといった欠陥も少なく、機械的性質に優れる。
  • 原理
    • 接合ツールは円柱形状で，先端にピンまたはプローブ（以後ピン）と呼ばれる突起をもつ。
    • 接合する材料は接合する面同士を密着させた状態で固定する。
    • 接合ではまず，接合ツールを回転させながら接合線上の材料表面に押し付けます。これにより接合ツールと材料の間に摩擦熱が発生して，この熱で材料が軟化する。
    • 接合ツールは所定の加圧力で材料に押し付けられているため軟化した材料中に圧入されていき，最終的にはピンが完全に材料中に埋没した状態となる。この時，ピン周辺の材料は接合ツールの回転に引きずられる形で塑性流動を起こす。その後接合ツールの回転と加圧を維持しながら接合線に沿ってツールを移動させると，接合ツールの後方には塑性流動によって一体化されたFSW継手ができます。
  • 特長
    • 溶融部なく熱処理合金でも継手強度が大きい。
    • 歪みが小さく残留応力が少ない。
    • 溶加材が不要であり、また余盛の除去の必要もありません。
    • 完全溶け込みでも、裏面は平坦になります。
    • 溶接割れを起こしやすい材質や、鋳物、複合材料、異種材質の接合が出来ます。
    • スパッタ、スマットなどによる汚れがありません。
    • 熟練を要せず接合でき、接合部の品質が安定します。

摩擦圧接の原理と特徴

  • 原理
    • 金属結晶は規則的に配列している原子で構成されている。理論上、別個の金属結晶を清浄な面同士を接触させて、強い圧力で原子位置をＢより近づけて斥力と引力が平衡状態にあるときに完全な接合状態となります。しかしながら、一般に金属表面には酸化皮膜や汚れ・吸着ガスなどがあり、この酸化皮膜の層が存在するため結合するほど原子位置が近づくことは出来ません。この酸化皮膜の層を完全に除去することが出来れば金属同士は結合することが出来ることになります。
    • 摩擦圧接の場合、これらの層を摩擦工程中にバリとして外部へ排出することができ、さらに高温・高加圧することで結晶粒が微細化され完全な結合が可能となります。
    • 接合する材料を高速で擦り合わせ、生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する技術です。従来行われているアーク溶接やガス溶接等と比較すると、摩擦熱以外 の熱源を必要としないこと、溶接棒やフラックスが不要であること、接合時にガ スやスパッタが出ない事などから自然環境にやさしい接合法といわれています。
  • 特徴
    • 接合される端面においてのみ発熱する
    • 接合面では激しい塑性流動を伴いながら接合が行われる
    • 摩擦圧接の場合、接合面以外からの熱の発生は無く、熱損失も少ない。
    • 激しい塑性流動は接合部の温度を過度に上昇させることが無いので、結晶粒の粗大化や金属間化合物の生成を抑制できる。
    • 比較的簡単な作業で寸法精度の高い製品が得られる。従って、仕上げ加工を施した部材の組み立て接合が行える。
    • 接合結果に高い再現性がある。
    • 用途に応じて種々の異種材料（ステンレスと軟鋼、ステンレスと銅など）を組み合わせて接合できる
    • アーク溶接では接合が難しい一部の材料についても、摩擦圧接で接合できる。
    • 鍛造などに比べて振動、騒音が少ない。
    • スパッタ、ヒューム等が生じないので、他の工作機械と組み合わせた一貫ラインが編成できる。